Как правильно расчитать осевой компрессор для двигателя самолёта?
Тема: Как правильно расчитать осевой компрессор для двигателя самолёта?
Газ (воздух – смесь газов) не рабочее тело для компрессора и никакой работы он в компрессоре не производит. Компрессор необходим для того, чтобы сжать воздух поступающий в него до определённого давления, подать его в камеру сгорания, чтобы сжечь керосин при высоком давлении и высокой температуре и для других нужд. В этой смеси есть кислород, который необходим для сжигания керосина, чтобы получить ещё большую смесь газов с высоким давлением и температурой для работы турбины самолёта. Турбина предназначена для получения крутящего момента, который используется для вращения компрессора, различных генераторов для получения электроэнергии, вращения пропеллера, если он имеется. Для увеличения мощности турбины необходимо больше сжечь керосина и кислорода. Керосин Вы везёте с собой в баках и больше подать его – нет проблем, а кислород Вам добывает компрессор из воздуха. Где его больше у земли или на высоте 10 км или выше? То есть компрессор должен его больше забирать, сжимать и вероятно быстрее вращаться, т.е. изменять свои рабочие параметры. Это Вы прекрасно знаете и без меня, не прибедняйтесь.
Далее возникают вопросы. Как заставить осевой компрессор больше подавать кислорода? Как работают его ступени? Что является ступенью? Как они умудряются сжимать воздух и другие газы?
А далее всё просто - применяется известная формула – формула 3П 4С. Палец в рот сосёшь его и думаешь. Если не придумал, то сосёшь палец дальше и смотришь в потолок, думаешь дальше. Если не придумал, то сосёшь палец дальше и смотришь в пол, думаешь дальше.
Если не придумал, то сосёшь палец дальше и смотришь на левую стенку, думаешь дальше. Затем смотришь на правую стенку и т.д., далее на переднюю и т.д., затем на заднюю стенку. Если ничего не придумал, повторяешь всё снова. Это шутка, но в каждой шутке есть доля шутки.
Что тут можно придумать? Рабочее колесо крутится, введём треугольники скоростей, что дальше? В гидравлике есть струйки – давай, применим уравнение Бернулли, не получается, давай, применим уравнение Эйлера, не получается. Общими усилиями чего-то нащупали, но какие-то помпажи выскочили, что дальше делать. Сейчас придумали применить уравнения Навье-Стокса для сжимаемой жидкости. (Число кандидатов и докторов продолжает увеличиваться. Растёт число тех, кому стыдно признаться, что дурят нас.) А как работают ступени, что является ступенью, как течёт воздух от ступени к ступени, как и почему он сжимается, точно не знают, т. е. не знают физических явлений, происходящих при сжатии газа в осевом компрессоре, работающем в вязкостном режиме течения газа, т. е. когда молекулы газа в основном сталкиваются только друг с другом.
Я представляю себе, как этот осевой компрессор будет плохо работать в молекулярном режиме течения газа из-за крутки лопаток, т.е. когда молекулы газа практически не сталкиваются друг с другом.
В осевых компрессорах для получения вакуума ступенью является любая деталь в проточной части, повышающая концентрацию газа, т.е. любое колесо с лопатками, вращающееся или неподвижное. Рассчитываются объёмы молекул газа, проходящие через каждую ступень и сжатие газа каждой ступенью. Там рассматриваются прямые и обратные потоки газа, проходящие через каждую ступень. Сжатие газа происходит между ступенями, при его вращении вокруг оси ступеней. Примерно такая же картина должна происходить и в ваших компрессорах при выделении большого количества тепла при сжатии молекул газа.
А, далее, давайте думать вместе, как правильно рассчитать осевой компрессор для самолёта.
Начали Вы красиво, я даже понял, что такое осевой компрессор. :-)
Но вот дальше ничего не понял - потому что электронщик. Если я тут начну гнать пургу про триггеры с мультиплексорами, да про АЛУ с МП, то меня никто не поймёт.
Поэтому я не понял:
1. формула 3П 4С
2. введём треугольники скоростей
3. В гидравлике есть струйки – давай, применим
4. применим уравнение Бернулли, не получается, давай, применим уравнение Эйлера, не получается
5. Общими усилиями чего-то нащупали, но какие-то помпажи выскочили
6. придумали применить уравнения Навье-Стокса для сжимаемой жидкости... Растёт число тех, кому стыдно признаться, что дурят нас
7. как течёт воздух от ступени к ступени, как и почему он сжимается, точно не знают, т. е. не знают физических явлений, происходящих при сжатии газа в осевом компрессоре, работающем в вязкостном режиме течения газа, т. е. когда молекулы газа в основном сталкиваются только друг с другом
8. осевой компрессор будет плохо работать в молекулярном режиме течения газа из-за крутки лопаток
Ну вот, уже лучше.
Дать определение чему-либо — это значит выразить какое-то понятие через ранее определенные. При этом должны быть некоторые базовые понятия, которые формально не определены (это не я придумал).
Итак, работа компрессора рассматривается, как я понял, на уровне МОЛЕКУЛ газа.
Однако, с завидной тупостью я продолжаю вчитыватся в те фразы, где есть слово "вакуум". Я принял к сведению систему координат, в которой все, что ниже "стандартного атмосферного" давления принято называть вакуумом. Неужели после всей той работы, которую проделывает компрессор над газом перед подачей его в камеру сгорания, давление все еще ниже атмосферного? (В осевых компрессорах для получения вакуума ступенью является любая деталь в проточной части, повышающая концентрацию газа, т.е. любое колесо с лопатками, вращающееся или неподвижное.)
Еще я понял, что для получения эффекта сжатия надо эти молекулы столкнуть, причем, желательно "в лоб". А крученые лопатки, упорядочивая поток, делают совсем противоположное. Если бы не "забор" из неподвижных, в двигателе был бы просто "сквозняк", как у "прямоточника" (хорошая штука, вот только разгонять чем-то надо, а посему на нем не взлетишь). Так как же их в лоб-то? Сначала, выходит, один черт надо задать им направление, каковое можно посчитать? Но ведь как посчитать Броуновское движение, какие потери возникнут от уклонения от "влобового" движения? Тем более, что при сжатии температура возрастает, скорость хаотичного перемещения молекул увеличивается. Что это даст? Повышение случаев столкновения или "промахов"?
Увлекся я вопросами, однако, а Леонид этим недоволен будет...
Дмитрий, а я электронику не секу и не влезаю в неё. Но как работает велосипедный насос, т.е. одна ступень поршневого компрессора знаете. Его поршень никого лоб в лоб не сталкивает, он только уменьшает объём газа в цилиндре при неизменном количестве молекул газа. От этого увеличивается число молекул газа в единице объёма цилиндра, т. е. газ сжимается в цилиндре (уменьшаются расстояния между молекулами). (При атмосферном давлении расстояние между молекулами воздуха значительно больше их размеров.) В многоступенчатых поршневых компрессорах каждая ступень сжимает газ примерно в три раза (так принято делать по некоторым причинам), т.е. три ступени сжимают газ в 27 раз, пять ступеней в 243 раза и т. д.
У осевых компрессоров максимальное сжатие воздуха ступенью примерно 1,7 раза. Первые ступени должны захватить максимальный объём воздуха, а последние ступени максимально сжать его. Если в среднем на ступень прикинуть 1,3 – 1,4 раза, то можете прикинуть общее сжатие газа проточной частью осевого компрессора.
У прямоточных двигателей самолётов может и не быть лопаточного компрессора из-за высокой скорости самолёта, т. к. повышается давление (сжатие) воздуха при его торможении на набегающих поверхностях заборника воздуха.
У осевого компрессора на входном аппарате поднимается давление, но не достаточно для работы турбины, а дальше, как пишут в учебниках, его давление повышается в проточной части лопаточного компрессора. Но, как и почему повышается давление, не говорят, а для того, хоть что-нибудь сказать, применяют формулу 3П 4С, т.е. “высасываются” из пальца любые истории и рассказы. (Помните, как один всадник вытащил из болота себя и лошадь, потянув себя за свои волосы вверх?).
Олег сдвиги у Вас есть и значительные, только дайте не “лоб в лоб”, а другую идею. Перед расположением молекул газа в пространстве “лоб в лоб” воздух превратится в жидкость (очень сильно сожмётся), а затем превратится в твёрдое тело (как пары воды).
Да уж точно, "сдвиги" начались :-)
Мне вот что интересно: почему, несмотря на то, что объяснения работы осевого компрессора "высосаны из пальца", на их основе проектируются двигатели, которые умудряются свое дело делать. Значит, не все так уж трагично?
В отличие от поршневого насоса, осевой не может уменьшить объём газа, поскольку расстояние между ступенями фиксировано.
Его задача, как я понял, обеспечить увеличение числа молекул газа в единице объёма за счет нарушения "равновесия" между затоком и суммарным оттоком газа из конкретной ступени (как обратно, так и в следующую ступень). Таким образом, задача стоит в обеспечении нервновесности потоков на определенном уровне и поддержание этого уровня при изменении режима полета, будь то "дача газа" пилотом, или выпуск шасси, повлиявший на скорость перемещения компрессора в набегающем потоке воздуха.
Значит задача делится на два существенных процесса: перемещение газа вдоль по оси потока и предотвращение (снижение) обратного потока. Так какие детали двигателя с этим "не справляются" и почему?
Если бы Вы, Леонид, описали свое недовольство конструкцией столь же подробно, как раскрыли содержание формулы 3П 4С, нам всем было бы проще идти дальше. И специалисты могли бы Вам оппонировать по конкретным вопросам.
Да, трагедии никакой. Ну, падают, разбиваются, плохо летают, ну и что, но ведь летают. Зато можно мозги морочить и различные привилегии получать, а если сразу сделать хорошо, то никто и не оценит. Помните притчу о двух котах? Вот и таскают дохлую мышку в зубах и все довольны.
Олег я уже описал, что считаю недостатком – существующая крутка лопаток резко увеличивает обратный поток, непонимание, что назвать ступенью – вторая причина, форма и облизанная поверхность лопаток, сверхзвуковая скорость и аэродинамика нужны ли для сжатия газа и т. д.
Вас не удивляет отсутствие мнений специалистов по поднимаемым вопросам? Мы же их с … мешаем, а им всё божья роса. А ведь могли бы нам официально всё растолковать. Я с учёным советом ЦАГИ три раза сталкивался и хихикал не переставая на их перлы, хотя прочнисты и спецы по вращающимся деталям дело знают. Могли бы похвастаться закупленными программами расчёта уравнений Навье-Стокса, но и от программ будет толку мало, если не понимают, как строить мост вдоль реки или поперёк.
По-моему, здесь уместна аналогия с речной системой шлюзов. Только здесь газ находится в неком динамическом сжатии, что усложняет ситуацию, потому что есть 'волновой эффект'.
"Существующая крутка лопаток резко увеличивает обратный поток" это, пожалуй, первая конкретная претензия. Хотелось бы услышать какое-то пояснение этому заявлению. Ведь, если уж оно возникло, то что-то послужило этому основанием. И именно оно вызвало у Вас вопрос: "Почему?" Тут Вы, Леонид, что-то недоговариваете.
Если, предположим, ситуация такова, что Вы обращаетесь ко всем с предложением подумать над вопросом "а не здесь ли, вдруг, собака зарыта?", то специалисты вправе не принимать участие в обсуждении заведомо неадекватных идей.
Если же Вы знате больше, чем говорите, но подталкиваете специалистов к поиску нового подхода к проектированию, всего лишь утверждая (бездоказательно), что он есть, то их реакция тоже понятна. Они и так находятся на пути, требующем завершения в их понимании. Вот если бы они стояли перед неразрешимой проблемой, да еще под угрозой невыполнения указивки сверху к очередному съезду..., тогда бы любая идея была бы на вес золота.
Как ни пытаюсь, никак не могу прийти к однозначному выводу, почему достаточно длинные Ваши комментарии содержат буквально крупицы конкретной информации? Судя по Вашим заявлениям, секрета из нее Вы делать не собираетесь. Значит ее еще нет?
Сказать людям, создающим действующие двигатели, что все надо делать по-другому, но как, не знаю сам (а именно так выглядят Ваши рассказы о встречах в ЦАГИ и пр. местах), мягко говоря, бесперспективно. Говоря, что Вы хихикали не переставая на их перлы, умалчиваете о том, каким смехом реагировали они на Ваши сообщения.
Давайте забудем об этих событиях, они занимают слишком много места и не привносят ничего нового в Вашу задумку (если только каким-нибудь образом не отображают тот процесс сжатия газа, о котором у нас идет речь). Я вполне серьезно: аналогии могут дать неожиданную подсказку пытливому исследователю.
Если можете, ответьте конкретно на вопрос, поставленный в первом абзаце, а именно: "Почему?"
Леонид в этой теме не понятна самое важное - ваша цель! Если бы вам так нужно было бы реально рассчитать то, что вы запрашиваете, то вы бы уже давно это сделали - я в этом уверен, причём 2мя возможными способами:
1) нашли бы человека, который грамотно и на пальцах с примитивными формулами вам всё объяснил, там же в ЦАГИ/МАИ
2)давно бы сами провели сформулировали и решили бы эту физическую задачу, как делали это многократно в смежных областях, например, Эйнштейн - теория диффузии - Нобелевская премия как раз за неё+теория фотоэффекта, или Жуковский, чей очередной юбилей так заслуженно недавно отпраздновало ЦАГИ.
Смущает именно ваш подход - похоже вам не столько решить эту задачу требутся, сколько поиздеваться над теми, кто как вы считаете, не может вам это подсказать. Если так, то берегитесь -это очень быстрая сейчас дорожка в психушку - только что вернулись нашы люди с "саммита" в Полярном Геофизическом Институте, так говорят, хоть санитаров вызывай, по крайней мере, 2 участника были явно невменямыми, причём один молодой, сейчас это быстро происходит - загордился человек, возомнил о себе невесть что...
Для меня не составляет труда дать вам пояснения как бы я сформулировал и решил эту задачу, но если вы столь грамотны, что беретёсь за её решение - то непонятно - что тратить впустую время на зудёж, что "все кругом дураки"? Берите пример с Жуковского Николай Егоровича и Эйнштейна Альберта Батьковича - надо решить -сформулировал задачу - решил.
Всё просто. Сформулируйте микро-макро механическую модель объёма устройства. Задайте интересующие вас в его объеме плотности газа - от масштаба этой плотности будет принципиально зависеть и эффективность устройства и даже его схема. Исходя из плотности газа - определите средний свободный пробег его молекул. Исходя из геометрии и размеров лопаток компрессора (и прочих) его движущихся частей + скорости их движения и средней скорости движения молекул газа+ его плотности+площади-объема заметания механическими частями - выведите формулу производительности-эффективности вашего КОНРЕТНОГО нагнетателя, потому что определённо всё будет зависеть именно от его схемы-устройства?
В чём проблема-то? Чего на других пенять? Что нужно - похихикать-поиздеваться? или решить конкретную насущную проблему? Ну так и решите, раз взялись и разумеете...
Сергей, Олег Вам не кажется, что наш разговор похож на беседу слепого с глухим? Заслуги Жуковского относительно расчета осевых лопаточных машин я отметил. Ему принадлежит идея применения подъёмной силы лопаток для расчёта осевых компрессоров. Ему принадлежит и идея крутки лопаток. Ранее я объяснил, почему крутка лопаток вызывает увеличенные обратные потоки. Если непонятно объяснил, то попробую ещё раз объяснить. Представьте осевой компрессор (возьмите любую картинку в учебнике или фотографию), мысленно перекройте выход газа из него, от всей проточной части оставьте только одно первое рабочее колесо. А теперь пусть рабочее колесо вращается на номинальных оборотах и нагнетает газ в пустой, заглушенный корпус осевого компрессора. Что будет при этом, я описал подробно 06.03.07. Если Вы не читали, то посмотрите. Через одну часть межлопаточных каналов рабочего колеса внутрь пустого корпуса компрессора будет нагнетаться газ, а через другую часть межлопаточных каналов рабочего колеса и его радиальный зазор этот газ будет выходить из корпуса в обратном направлении. А теперь представьте работу всей проточной части компрессора. Через все межлопаточные каналы всех ступеней проточной части потоки газа будут проходить в прямом и обратном направлениях, а их разница (результирующий поток) будет попадать в камеру сгорания. Если вывести компрессор из допустимой области работы, то на одной из последних ступеней, где сжатие газа и обратные потоки газа максимальны, обратный поток может увеличиться. Это вызовет увеличение давления в предыдущей ступени и из неё хлынет значительный обратный поток в ступень перед ней, и т. д. В этом случае весь газ выйдет в обратном направлении из компрессора, т. е. произойдёт помпаж.
Если рассматривать аналогию со шлюзом, то это означает повышение уровня воды с противоположной стороны шлюза и вода потечёт в обратную сторону. А хихикал я, видимо непроизвольно, от услышанной дурости. Им стыдно было признаваться в своей некомпетентности и поэтому выдавали перлы.
Сейчас, Леонид, мне не кажется, а я уверен, что изложение проблемы в том плане, как ее видите Вы, и что именно Вас в работе осевого компрессора не удовлетворяет, ВПЕРВЫЕ изложено достаточно четко и связно. Именно этого добивались все, кто подал свой голос по этой теме. Очень надеюсь, что такая форма обмена информацией будет сохранена и в дальнейшем.
Поскольку в конструкции двигателя с осевым компрессором избежать радиальных зазоров практически невозможно, как и межлопаточных (это мое непрофессиональное мнение), то недостатком наличия "обратного потока" будет обладать ЛЮБАЯ подобная схема. Задача в том (как я уже отмечал), чтобы максимально его сократить. Поскольку на таких оборотах установка "долгоиграющих" прокладок в радиальном зазоре немыслима, значит их роль должен выполнять, как мне кажется, набегающий поток воздуха. Т.е. динамическое давление в потоке газа, разогнанном лопатками компрессора, должно быть выше статического за ступенью. Или хотя бы находиться в желаемом соотношении, чтобы ограничить величину обратного потока.
Вот тут важную роль может сыграть не только величина разгона газа лопатками, но и правильное его движение в тракте, дабы он мог максимально выполнять функцию "прокладки". Это, как мне кажется, будет зависить и от крутки лопаток и от профиля и угла установки лопаток выравнивающего аппарата.
Другая сторона дела в прямом и переносном смысле: камера сгорания. Поскольку обратных клапанов в ней нет, то при нарушении процесса горения факела могут возникать скачки давления, которые распространяются не только в сторону реактивного сопла, но и в сторону компрессора. Понятно, что основные "излишкии" должны уйти через сопло, но и его сечение ограничено, так что волей-неволей часть избытка газа, образовавшегося при "нештатном горении" будет стремиться выйти и через компрессор, создавая помпаж. Так может технически проще создать "двухконтурное сопло", образующее при угрозе помпажа канал для сброся давления за двигатель, на вперед его?
Олег покажите, какая именно крутка лопаток рабочих колёс и почему может уменьшить обратные потоки газа. Готов внимательно рассмотреть её. Меня также интересует величина крутки лопаток обратных направляющих аппаратов и отличие их крутки от крутки лопаток рабочих колёс.
Я рассматривал процесс с точки зрения лишь логики событий.
Напоминаю, что я не специалист по авиадвигателям и не имею специальной подготовки по аэродинамике. Авиамодельная практика с вырезанием пропеллеров и набором крыла из нервюр разного профиля, летно-штурманское училище - вот и все мои "университеты" в этой области, да еще "шестое чувство" в выборе профиля крыла и компоновки планера. Обычно все летало хорошо с первого раза. Опираясь на когда-то виденное и слышанное, а также на прочитаное на этой теме обсуждения я высказал идею.
Извиняюсь за опечатки: сброс давления, конечно же, должен происходить только ЗА двигатель, а НЕ ВПЕРЕД его.
Аналогия простая: встаньте за комнатным вентилятором и попробуйте подуть навстречу. Сжатия, как в компрессоре, за ним нет, а динамическое давление в потоке есть. Будучи "грамотно" распределено в тракте между элементами конструкции, оно ВОЗМОЖНО способно повлиять на величину обратного потока. Может ли и как, пусть выскажутся те, кто в этом понимает больше меня? У меня в работе других расчетов хватает.
Впервые обратные течения воздуха через лопасти вентилятора обнаружил Струве (в ЦАГИ), был сильно этим удивлён и не мог это никак объяснить.
А Вы можете объяснить, как лопатки компрессора СОЗДАЮТ давление за ступенью и что в данном случае будет пониматься ступенью?
![[image]](../../../pics.aviaport.ru/cache/news/170x/723423.jpg)